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天舟一号采用的国产核心元器件

作者:admin 阅读次数:1731次 发布时间:2017-06-19 15:26

摘要:4月20日19时41分,我国首艘搭载着天舟一号货运飞船的长征七号遥二火箭在海南文昌发射场成功点火升空,开始执行为期5个多月的太空飞行任务。任务中,货运飞船与天宫二号将实施三

4月20日19时41分,我国首艘搭载着“天舟一号”货运飞船的长征七号遥二火箭在海南文昌发射场成功点火升空,开始执行为期5个多月的太空飞行任务。任务中,货运飞船与天宫二号将实施三次交会对接,这在我国航天历史上还是第一次。三次交会对接主要目的是验证货运飞船的能力、绕飞至前向对接技术及自主快速交会对接技术。

经过一天多的飞行,4月22日,12时23分与天宫二号空间实验室顺利完成自动交会对接。这是天宫二号自2016年9月15日发射入轨以来,首次与货运飞船进行的交会对接。

 

太阳耀斑发生时宇宙空间存在电离辐射,即便是近地轨道上的电子设备也会受到破坏。如果中国已经有这种可靠的微芯片结构,可免受电离辐射破坏,那么这将是向前迈出的一大步。而俄罗斯才刚有这样的计划。”这意味着未来十年后世界上唯一的一个太空之城——中国空间站的相关研制和应用正在进入快车道。

据统计,有多款来自中国芯的设计与应用技术在“天舟一号”任务中得以应用,一起来认识下吧。据北京晨报报道,为了带动元器件自主研制,加速实现元器件的自主可控,提前验证空间站中所用的关键元器件,作为飞行验证平台的天舟一号首次大刀阔斧地使用了七大类国产新研核心元器件,将未来空间站建设的关键命脉牢牢握在手中。

在“天舟一号”中的数字信号传输模块,10余种70余只传感器、多组光缆及光纤连接器,国内首款应用频率达到40GHz的微波传输端子及外壳以及首次研制成功100V DC/DC电源和EMI滤波器,都是由中国电子科技集团研制提供的。同时,在天舟一号的推进舱和货物舱内遍布电子控制系统中,中国电科研发的抗辐射加固1553B总线控制器在天舟数管分系统也得以应用。

据中国电科数字光模块专家罗洪介绍,“数字光模块好比人的神经系统,控制着数据的发送、传递、接收。比如飞船从宇宙空间采集到的图像数据、地面控制台与飞船之间的通话、交汇对接时的传感数据都是由数字信号传输光模块完成。”据悉,以往飞船通常应用铜缆传输信号,但因为体积大、重量大、传输距离短、传输速率低、抗干扰能力差的缺点,一直制约飞船发展。“在未来空间站的建设中,由于数据吞吐量的急剧加大,不采用数字信号传输光模块,空间站将不堪重负。”

罗洪表示,数字信号传输光模块与传统铜缆传输系统相比,重量降低到原有的十分之一、体积减小五分之一、传输速率从兆比特量级提高到吉比特量级、空间抗辐射能力达到高轨运行能力等优势,实现了产品的抗辐照、小型化、温度适应性强、高灵敏度和高速率性能,成功解决了空间飞行器信号传输设备的小体积与小重量设计需求,提高了信号传输速率,有效提升了空间飞行器信号传输性能,可靠保障空间飞行器运行。

在天舟一号的推进舱和货物舱内遍布电子控制系统中,中国电科研发的抗辐射加固1553B总线控制器在天舟数管分系统得以应用,以实现数据命令的可靠传输及部分设备的有效控制,犹如天舟一号的部分“神经网络”,发出无数的支线数据命令,实现各个神经、器官的数据通信,共同完成天舟的各种动作。

针对芯片中的存储器、触发器等薄弱、敏感单位,该集团进行了逻辑层面的抗辐射加固设计,同时在版图设计中进行单独全定制设计,实现了最终抗总剂量能力达到国际先进水平。

同时,天舟一号上搭载了该集团配套了100%全国产自主研发的10余种70余只传感器、多组光缆及光纤连接器这些关键“神经元”,实现了核心器件自主可控。

其中,传感器遍布飞船的热控、推进、环控生保等分系统,配套种类包括压力、温度、湿度、氧气、二氧化碳、离子感烟、差定温等传感器,可实现环境监测与控制及飞行姿态调整等。光缆及光纤连接器用于光端机和光探测器之间光路的通信互连及数据的高速双向传输,保证飞船在轨运行期间数据传输的稳定性和可靠性。

此外,该集团研制的国内首款应用频率达到40GHz的微波传输端子及外壳,首次研制成功100VDC/DC电源和EMI滤波器,使天舟一号中的航天器母线电压提升到100V,有效提升了载荷能力和供电总效率。

同时,天舟一号上搭载了该集团配套了100%全国产自主研发的10余种70余只传感器、多组光缆及光纤连接器这些关键“神经元”,实现了核心器件自主可控。此外,该集团研制的国内首款应用频率达到40GHz的微波传输端子及外壳,首次研制成功100VDC/DC电源和EMI滤波器,使天舟一号中的航天器母线电压提升到100V,有效提升了载荷能力和供电总效率。

据了解,激光交会对接雷达和光学成像敏感器等的使用便是天舟一号货运飞船与天宫二号成功进行交会对接的关键。这两款由中国电子科技集团研制的核心组件保证了两个高速运行的飞行器更加迅速、可靠地对接在一起。

两个飞行器在太空中要经过几十万公里的追逐,最终完成精准地对接,这一过程被航天人比喻成“穿针引线”。经过相关单位的多次实验和努力,中国交会对接设备突破了多项技术,性能明显优于国际同类产品,处于国际领先水平。

“在对接过程中,两个飞行器飞行速度为7.9公里/秒(小编注:这个应是错误的理解,应该看相对速度!),要在如此速度下完成绕飞对接和快速交会对接,这就要求激光雷达始终保持较为宽广的视角和更高精度的测量跟踪。”据中国电科激光雷达总师屈恒阔介绍,在天宫二号上搭载了中国电科研制的激光雷达合作目标,天舟一号搭载了激光雷达主机和信息处理机。

其探测的基本过程,是由安装在飞船上的激光雷达系统发出激光束,激光束照射到天宫二号上后返回信号,激光雷达系统再根据接收到的返回信号计算分析。“天宫二号携带的激光雷达合作目标装载了特殊的玻璃棱镜,可以从多方位、大范围内反射激光雷达的光信号,配合激光雷达完成距离、角度等飞行参数的测量,确保飞船进行精准对接。”

最终,在同等体积重量功耗下,中国电科的激光雷达工作范围比国外同类产品增大了两倍以上,实现了全范围内高精度测量跟踪。

天宫二号与天舟一号在太空中要经过几十万公里的追逐,完成“穿针引线”般的精准对接,从二者距离150m开始直到最终完成精准对接整个过程中,有一个被誉为“灵敏眼睛”的光学成像敏感器,该设备能让两个高速运行的飞行器更加迅速、可靠的对接在一起。

中国电子科技集团公司高级工程师刘志强介绍,“导航定位激光信息源是光学成像敏感器的关键组件,即使是在太空中漆黑无界,它也能发出激光,在黑暗中找到目标,传递信息;即便是在面对太阳强光的直射时,它也能发射出比阳光更加明亮的双波长激光,确保‘眼睛’不被伤害,找到目标。”

“在本次航天任务中,激光信息源面临着在轨时间长、使用次数多、对接速度快和在阳照区环境实施对接等多重考验,对接精度必须精确到毫米级,可以说,交会对接难度非常大。”基于此,中国电科的项目团队在有限的时间内,结合航天实际应用进行产品原理和工艺的全新设计,进行了完整、充分的相关环境试验,经过2000多次的试验,最终研制出第三代产品,其可靠性更高、重量更轻、体积更小、功耗更低,高抗辐照、传导热能力强,主要技术指标达到国际先进水平。而这个过程可谓艰辛。

在“天舟一号”货运飞船与“天宫二号”交会对接任务中,发射指挥中心可通过航天513所研制的宽波束中继测控系统搭建的天基测控通信系统,随时掌握“天舟一号”货运飞船和“天宫二号”的运行情况,并向飞船发送指令,保证任务执行。

据航天513所“天舟一号”宽波束中继测控终端主管设计师张举介绍,过去由于通信通道相对狭窄,飞船在调整姿态进行对接、分离等技术动作时,与中继卫星极有可能出现信号中断现象,而宽波束中继测控系统最大的优势是测控覆盖范围大,能够实现更大范围的中继测控。

与此同时,由航天513所山东航天空间载荷中心研制的舱内辐射环境测量载荷将进行粒子辐射环境探测及元器件辐射效应监测,对相关元器件在经受空间辐射考验后的“身体状况”进行“诊断”。

据航天513所山东航天空间载荷中心粒子探测组技术负责人刘金胜介绍称,舱内辐射环境测量装置能够测量空间中的辐射环境以及元器件在空间辐射效应中的正常工作状态,判断这个元器件是否能在空间中稳定运行,保证货运飞船和其它一些航天器能顺利完成原定目标。

此外,航天513所研制的星载计算机产品应用于飞船多个分系统,为各系统稳定运行发挥关键作用。

天舟一号货运飞船重13吨,主要由货物舱、推进舱两个舱段组成,其中推进舱由中国航天科技集团公司上海航天技术研究院负责总装,为飞行器提供动力、能源和通信功能,同时为空间站提供推进剂补加服务。

据上海航天技术研究院对接机构专家靳宗向介绍,“天舟一号”比载人飞船重很多,相比载人船上的对接机构,此次货运飞船上的对接机构特别增加了一些缓冲装置,控制器和驱动器也进行了相应的升级。

第二代对接机构必须适应未来空间站建造阶段8-180吨各种吨位、各种方式的对接,包括偏心对接,其间将会产生巨大的对接能量,对于对接机构的缓冲耗能能力提出很高的要求,这也是空间站建造阶段必须突破的一项技术。

上海航天的设计师们通过大量的技术攻关和方案论证,提出了可控阻尼的控制思路。这项设计经过可控阻尼器单机产品、改进型传动缓冲对接机构产品以及分系统级的整机、缓冲等全覆盖的考核措施,满足本次及后续任务的需求。

“天舟一号”还有一项重要任务是空中“加油”,在完成与天宫二号交会对接、进入组合体飞行模式后,推进系统补加驱动器将在六个月的空间实验室任务中开展补加功能的试验验证工作。组合体飞行过程中,上海航天技术研究院研制的推进控制驱动器将执行控制系统指令,控制所有发动机和管路阀门,对组合体进行姿态和轨道控制。

上海航天技术研究院院长代守仑告诉记者,回顾神舟一号至神舟十一号、天宫一号、天宫二号的13次发射任务中,上海航天承担的任务均取得了圆满成功,特别是历经多年研制的对接机构在确保任务成功中发挥了关键作用。

而在后续载人航天任务中,除了载人飞船、货运飞船、空间实验室等任务以外,上海航天还承担了空间站实验舱Ⅱ总体任务,空间站系统的对接机构、电源分系统及非密封舱结构与总装、测控通信设备,光学舱系统能源功能、对接子功能、测控通信设备等研制任务。

在“天舟一号”电子控制系统中,位于无锡市滨湖区蠡园开发区的中科芯(58所)贡献两款核心芯片,控制飞船的动作,无论捕获、缓冲还是拉近,可以做到毫厘不差。

据中科芯的工程师介绍,“天舟一号”电子控制系统犹如飞船的大脑和神经,而这两款芯片就像“神经网络”,发出无数条支线数据命令,连接飞船各个“器官”间的数据通信,控制飞船完成各种高难度的动作。这两款型号芯片除用于“天舟一号”,还用于“天宫二号”“神舟十一号”以及部分民用产品,显示出出众的稳定性和可靠性。研发团队凭此申请了20多项专利。

抗辐射是科研人员在芯片设计中遇到的一大难题。据研发人员蔡洁明介绍,高轨太空的辐射环境十分恶劣,芯片如果不能抵御辐射,就会发出错误命令和数据,可能造成飞船功能失常或运行失误。

研发期间,蔡洁明和同事每周加班二三十个小时,两年艰苦攻关,前后四易方案,终于使芯片抗辐射数据达到设计要求。经过抗辐射加固的芯片就像肌肉发达的“拳击手”,能承受来自各个方向、各种距离的带电粒子、质子的打击而屹立不倒。

在“天舟一号”的运载系统和飞船系统中配套的多款电源产品,是由位于合肥中国电科43所提供的,包括天舟飞船使用的六大系列22个品种DC/DC变换器和EMI滤波器。

这是我国乃至国际系列化程度最高、品种数最多、功率覆盖最全的系列产品,产品技术指标鉴定为“国际领先”水平,具有首创意义,提升了我国供电母线体系的整体水平。

据中国电科43所相关研发人员介绍,为完成本次任务,中国电科43所经受了两大考验,首先,在长征七号运载火箭第一次执行正式发射任务中,研制生产了多款专用高可靠的DC/DC变换器和EMI滤波器,为火箭精度控制提供稳定可靠的电能源转换。

其次,为“天舟一号”飞船研制生产了系列化宇航级的DC/DC变换器和EMI滤波器,将航天器母线电压提升近4倍,有效提升了飞船的载荷能力和供电总效率。这些电源产品均是“天舟一号”飞船的核心部件,犹如飞船的“心脏”。

随“天舟一号”升空的“丝路一号”科学试验卫星01星,是我国采用货运飞船搭载方式首次发射的对地观测微纳卫星。它搭载了我国自主研制的首颗宇航级高速图像压缩芯片“雅芯-天图”,由西安电子科技大学图像所与航天五院513所联合研制。除此之外,西安电子科技大学图像所还承担了“天宫”与“天舟一号”对接系统中遥操作摄像机数字视频编码和解码设备的研制工作。

科学试验卫星01星,具有体积小、重量轻、功能密度高的特点,搭载着总重量不超过1千克的轻小型可见光相机,以及我国自主研制的首颗宇航级高速图像压缩芯片“雅芯-天图”。

它是由在陕的地理信息工程国家重点实验室、西安航天天绘数据技术有限公司、中国科学院西安光学精密机械研究所、西安电子科技大学等科研单位联合研制的,“丝路一号”整星的收拢尺寸仅为330毫米×100毫米×100毫米,质量不超过4.5千克,设计轨道高度400公里,具备光学遥感对地观测能力,是“丝路微小卫星群对地观测系统”的首发星,担负着系统技术体制验证任务。

丝路微小卫星群计划发射30颗以上的微纳卫星,可以提供全色、多光谱、高光谱等多种类型的遥感影像并具备增强导航功能。卫星通过组网可以将重访周期缩短至1天,彻底改变遥感卫星重访周期长、产品种类少的旧有格局。

此外,由北京理工大学信息与电子学院航天电子技术研究团队吴嗣亮教授、崔嵬教授负责研制的“天舟一号”微波雷达信号处理机与“天宫二号”微波应答机信号处理机,为“天舟”、“天宫”提供精确的相对位置和运动参数测量信息,将引导“天舟”与“天宫”完成三次“太空之吻”。

据团队负责人吴嗣亮教授介绍,“天舟一号” 微波雷达信号处理机与“天宫二号”微波应答机信号处理机属于空间交会对接微波雷达的第二代产品,相对于第一代产品,此次用于“天舟一号”和“天宫二号”的第二代产品有了新的发展。崔嵬教授介绍到,“产品增加了双向通信功能,以保证“天舟一号”在对接任务中与“天宫二号”实时进行信息传输。同时,通过设计优化,使第二代产品体积更小,重量更轻,功耗更低”。

天舟一号是一艘货运飞船,然而它的功能却不仅仅局限于货物的运输。此次天舟一号发射除了完成交会对接、为天宫二号空间实验室补加燃料之外,它身上还携带了大量的实验设备,在太空运行期间要进行多项实验试验。

此次天舟一号上总共搭载了40台设备,要进行13项太空实验试验,真正做到了一船多用。将要在天舟一号上进行的太空实验,包括新型元器件在轨验证,空间环境探测、力学环境测量,以及生命科学方面的实验等涉及众多领域。未来我国将要建设的空间站体积庞大,在太空运行过程中难免会受到太空碎片的撞击。

货运飞船是天地间运货的工具,为我国未来空间站补充推进剂、空气、食物以及用于维护空间站的更换设备,同时也被当作空间站的“垃圾桶”,用于回收空间站的废弃物。货运飞船在脱离空间站后,连同废弃物一起在大气层中烧毁。货运系统是中国建成空间站需要突破和掌握的关键技术,是确保未来中国空间站在轨长期载人飞行的基本前提。